魚骨式熱沉調溫系統的數值模擬與試驗研究

祁雪琴 劉智勇* 顏昌林

(1 蘭州交通大學環境與市政工程學院 蘭州 730070)

(2 蘭州真空設備有限責任公司華宇分公司 蘭州 730013)

1 引言

調溫熱沉是指通過改變熱沉溫度來模擬空間環境溫度變化的方法。當熱沉達到控制溫度后,可通過控制載冷劑溫度達到控溫的目的也可以通過控制載冷劑的流量來實現熱沉溫度控制。文獻[1]介紹了目前國內主要的調溫技術,對不同流程的工作原理作了詳細介紹,并簡要分析其優缺點和適用范圍,為我國熱真空試驗設備的發展和制造提供借鑒。文獻[2]主要介紹了氣氮調溫熱沉工作原理及系統主要組成部件的結構,分析計算了系統關鍵參數,并完成了試驗驗證。文獻[3]等人結合某型號航天器對調溫熱沉試驗需求,對某空間環境模擬器進行了氣氮調溫系統流程設計,對影響系統的關鍵參數進行分析和設計,最后進行了系統調試。文獻[4]主要分析了熱沉調溫系統的主要影響因素及氣氮質量流量對熱沉熱性能指標的影響。美國PDM 公司真空熱試驗設備配置有氣氮調溫熱沉,使熱沉溫度在117—394 K 范圍內可調,升降溫速率可以達到1.1 K/min,系統可承受50 kW 的熱負荷[5]。美國戈達德空間飛行中心的真空熱試驗設備用氮氣對熱沉進行調溫,溫度調節范圍為103—423 K,升降溫速率最小為6 K/min[6]。

本文保持載冷劑流量不變的情況下,通入載冷劑對熱沉進行升降溫,當溫度達到控制點溫度時,再通過循環氮氣溫度實現熱沉溫度在-130— +150 ℃范圍內連續可調,并高度均勻。

2 數值模擬分析

2.1 有限元模型建立及網格劃分

熱沉主管內徑為100 mm,支管內徑為16 mm,材料為不銹鋼;熱沉翅片寬度為80 mm,材料為紫銅。由于熱沉筒體左右對稱,為減少計算量縮短仿真時間,只選取半個熱沉進行計算。本次模擬利用ICEM CFD 對熱沉管及翅片整體結構進行結構化網格劃分,劃分的網格如圖1、圖2 所示。為了避免因為網格劃分的疏密對模擬結果的影響且提高計算時間減少對計算機的要求,在正式的模擬計算開始前需要劃分多套疏密程度不同的網格來進行獨立性驗證。本文采用3 套網格(3 892 992、4 701 048、5 534 122)對熱沉進行模擬計算,結果如圖3 所示,對計算結果進行分析匯總,3套網格所得結果最大相對偏差為0.015%,滿足工程計算精度要求。考慮到計算機性能,本文選取4 701 048 為后續計算的網格數。

圖1 熱沉溫度場網格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat sink temperature field meshing

圖2 熱沉網格局部放大圖Fig.2 Partial enlarged view of heat sink grid

圖3 網格獨立性驗證Fig.3 Verification of grid independence

2.2 計算工況與邊界條件

利用Ansys Fluent 19.0 進行仿真計算時,采用速度入口邊界條件、自由流出口邊界條件,壁面邊界條件。低溫調溫時入口氮氣速度為25 m/s,氮氣溫度設置為143 K,熱沉外壁面與真空容器筒體之間只進行輻射換熱,溫度設為298 K,外部發射率設置為0.2,負載時熱沉內壁面之間也只進行輻射換熱,溫度設為298 K,外部發射率設置為0.1,進口壓力為60 kPa。高溫調溫時入口氮氣溫度設置為423 K,其它參數與低溫調溫設置相同。湍流模型采用標準k-ε模型,壓力-速度耦合采用Simple 算法[7]。

3 模擬結果與分析

3.1 調溫熱沉溫度均勻性模擬結果

本文主要研究在保持載冷劑流量不變的情況下,通入載冷劑對熱沉進行升降溫,當熱沉溫度達到控制點溫度時,再通過循環氮氣溫度實現熱沉在-130—+150 ℃溫度范圍內可調,且在穩定狀態時溫度均勻性≤±5 ℃,對熱沉進行了仿真分析。

3.1.1 +150 ℃高溫循環時熱沉壁面溫度分布

圖4 為高溫調溫時,循環氮氣進口溫度分別為420 K、423 K、428 K、435 K 時,熱沉外壁面的溫度分布云圖。從圖可看出,由于熱沉自下而上流動過程中放出熱量,整個熱沉上近入口端翅片溫度總是高于出口端翅片溫度,且遠離進出口端翅片溫度最低。

圖4 氮氣不同進口溫度下熱沉外壁面溫度分布Fig.4 Temperature distribution on outer wall of heat sink at different inlet temperatures of nitrogen

循環氮氣進口溫度分別為420 K、423 K、428 K、435 K 四種溫度時,熱沉外壁面溫度變化曲線如圖5所示。由圖5 可以看出,穩定狀態時,熱沉溫度均勻性分別為±1.569、±2.002、±2.801、±3.177,隨著循環氮氣溫度升高,熱沉翅片溫度均勻性也相應增大。高溫調溫時,循環氮氣進口溫度增加熱沉翅片表面溫度升高,就越接近控制點溫度。但是,循環氮氣進口溫度的升高,PID 控制系統中加熱器輸出功率也隨之增加。所以,在熱沉實際運行時,當熱沉溫度達到控制點溫度后,應控制循環氮氣溫度在428—435 K 范圍內,保證不增加經濟成本的情況下保證熱沉翅片溫度均勻性達到要求。

圖5 外壁面溫度隨氮氣進口溫度變化曲線Fig.5 Curve of outer wall temperature changing with nitrogen inlet temperature

3.1.2 -130 ℃低溫循環時熱沉壁面溫度分布

循環氮氣進口溫度分別為143 K、138 K、133 K、128 K 時,熱沉外壁面的溫度分布云圖如圖6 所示。從圖可看出,熱沉自下而上流動過程中吸收熱量,故近入口端熱沉翅片溫度總是低于出口端熱沉翅片溫度,且遠離進出口端翅片溫度最高。

圖6 氮氣不同進口溫度下熱沉外壁面溫度分布Fig.6 Temperature distribution on outer wall of heat sink at different inlet temperatures of nitrogen

循環氮氣進口溫度分別為143 K、138 K、133 K、128 K 四種溫度時,熱沉外壁面溫度變化曲線如圖7所示。由圖7 外壁面溫度隨氮氣進口溫度變化曲線圖可看出,穩定狀態時,熱沉溫度均勻性分別為±1.180、±1.432、±1.249、±0.263,隨著循環氮氣溫度降低,熱沉翅片溫度均勻性減小。低溫調溫時,循環氮氣進口溫度越低,熱沉溫度分布越接近控制點溫度。但隨著氮氣進口溫度的降低,PID 控制系統中液氮補液閥開度增加,會增加液氮用量,故不能一味的減小氮氣進口溫度。所以,在熱沉實際運行時,應控制循環氮氣溫度在128—133 K 范圍內。

圖7 外壁面溫度隨氮氣進口溫度變化曲線Fig.7 Curve of outer wall temperature changing with nitrogen inlet temperature

由以上可以得出,調溫熱沉通過控制循環氮氣進口溫度,可實現在-130— +150 ℃溫度范圍內可調,且在穩定狀態時溫度均勻性≤±5 ℃。

3.2 調溫熱沉溫度均勻性瞬態模擬過程

非穩態模擬相對于穩態計算多了時間變量,能夠計算出熱沉溫度場隨時間的變化趨勢,更加直觀的模擬出熱沉實際的工作狀態。

3.2.1 升溫過程

本次模擬研究熱沉在-130— +100 ℃的升溫速率。氮氣入口溫度為383 K,入口流速為25 m/s,熱沉內外壁面只進行輻射換熱,溫度設為298 K,外部發射率設置為0.2,熱沉的初始環境為143 K,進行非穩態計算。經過非穩態計算的步長為6 s,計算的步數為600。圖8 為熱沉翅片外壁面溫度非穩態升溫過程。模擬開始后,靠近入口端的熱沉翅片表面溫度開始升高。當模擬時間達到5 000 s 時,熱沉翅片表面溫度幾乎達到穩定。隨著時間的增加,熱沉翅片表面溫度分布在356—365 K 之間,且更加均勻。

圖8 熱沉翅片外壁面溫度隨時間的變化Fig.8 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

熱沉翅片外壁面溫度匯總出如圖9 所示曲線。由圖9 可以看出,熱沉開始工作時,由于熱沉與周圍環境溫差較大,熱沉翅片的溫度上升速度很快;隨著時間的增加,溫差逐漸減小,熱沉的升溫速率也減小,在0—10 min 時,熱沉的升溫速率為10.71 K/min;在10—20 min 時,熱沉的升溫速率為7.5 K/min;時間增加到40 min 時,熱沉的升溫速率只有1.25 K/min,且熱沉溫度場達到穩定狀態,溫度穩定在365 K左右。

圖9 熱沉翅片外壁面溫度隨時間變化曲線Fig.9 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

3.2.2 降溫過程

本次模擬研究熱沉在+150— -130 ℃的降溫速率。氮氣入口溫度為130 K,入口流速為25 m/s,熱沉內外壁面只進行輻射換熱,溫度設為373 K,外部發射率設置為0.2,熱沉的初始環境為423 K,進行非穩態計算。經過非穩態計算的步長為6 s,計算的步數為500。圖10 為熱沉翅片外壁面溫度非穩態降溫過程。模擬開始后,靠近入口端的熱沉翅片表面溫度開始降低。當模擬時間達到3 000 s 時,熱沉翅片外壁面溫度達到穩定狀態,分布在156—168 K 之間,且更加均勻。

圖10 熱沉翅片外壁面溫度隨時間的變化Fig.10 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

對熱沉翅片外壁面溫度匯總出如圖11 所示曲線。由圖11 可以看出,熱沉開始工作時,由于熱沉與周圍環境溫差較大,熱沉翅片的溫度下降很明顯;隨著時間的增加,溫差逐漸減小,熱沉的降溫速率也減小。在1—15 min 時,熱沉的降溫速率為9.84 K/min;在15—35 min 時,熱沉的降溫速率為3.41 K/min;時間增加到60 min 時,熱沉的降溫速率只有1.07 K/min且熱沉溫度場達到穩定狀態,溫度穩定在143 K左右。

圖11 熱沉翅片外壁面溫度隨時間變化圖Fig.11 Temperature change on outer wall of heat sink fins with time

4 試驗研究

4.1 試驗裝置簡介

本試驗系統主要包括調溫循環系統(含熱沉)、真空容器系統、制冷制熱系統、測控分系統。調溫熱沉結構為魚骨式熱沉,由主管與支管焊接而成,并在支管內外兩側焊接翅片來吸收熱輻射[8]。溫度控制是本次試驗的一個重要參數控制。通過測量在熱沉翅片上不同點的溫度來衡量熱沉的溫度均勻性以及熱沉的升降溫速率。

本試驗臺調溫循環系統原理如圖12 所示,該試驗臺由熱沉,加熱器、混合器、液氮儲槽、循環風機、回熱器等組成。循環過程為:向系統充入氮氣后進行密閉循環。高溫段時,啟動電加熱器,氮氣通過電加熱器后溫度升高,高溫氮氣進入熱沉進行熱交換,使熱沉溫度升高。低溫段時,液氮與氮氣通過混合器進行熱交換后溫度降低,低溫氮氣進入熱沉與之進行熱交換,使熱沉溫度降低[9]。

圖12 調溫熱沉系統原理圖Fig.12 Schematic diagram of thermal adjusting heat sink

4.2 試驗過程

圖13 為調溫熱沉溫度測點布置圖。在熱沉筒體上共設12 支測溫點,均勻分布3 圈,每圈4 支,控制界面上以TR01—TR12 進行編號,試驗環境溫度為298 K。

圖13 溫度測點分布圖Fig.13 Distribution of temperature measuring points

具體試驗過程為:(1)按圖11 連接各試驗設備;(2)打開試驗操作系統;(3)向管路系統中充入目標壓力的循環氮氣;(4)在控制界面設定目標溫度,(5)打開循環風機,點擊控溫開始,待溫度升至設定溫度且穩定一段時間后,開始數據采集與記錄。

5 試驗結果分析

通過改變循環氮氣溫度來達到控制點溫度為-130 ℃和+150 ℃時且進口壓力維持在60 kPa 時的熱沉溫度均勻性作了仿真模擬,熱沉溫度均勻性試驗中同樣選擇該壓力下以-130— +150 ℃范圍內的-130 ℃和+150 ℃溫度點的溫度均勻性來反應-130— +150 ℃整體溫度段的溫度均勻性。并對研制的控溫熱沉進行了控溫效果調試,調試時分別取+150 ℃、-130 ℃這兩個常用控溫點作為區間控溫點,調試過程如下:(1)升溫進行+150 ℃溫控;(2)降溫進行-130 ℃溫控;(3)最后再進行+150 ℃升溫。

調試過程中從熱沉翅片中選擇不同位置的6 個點記錄數據。熱沉升降溫速率(升降溫過程分別記錄-130— +100 ℃及+100— -70 ℃的溫度數據)及控制點溫度為-130 ℃、+150 ℃熱沉處于60 kPa平衡態時的熱沉溫度曲線圖分別如圖14、圖15所示。從圖14、圖15 中可以計算出,熱沉翅片的升降溫速率分別為4.6 ℃/min 和6.8 ℃/min,滿足升降溫速率≥1.0 ℃/min 的要求,在穩定狀態時溫度均勻性分別為±3.178、±2.588,測試結果的溫度均勻性都≤±5 ℃,滿足指標要求。

圖14 熱沉升降溫速率曲線Fig.14 Temperature rise and fall rate curves of heat sink

圖15 熱沉平衡態時溫度分布曲線Fig.15 Temperature distribution when heat sink is in equilibrium

6 試驗結果與模擬結果的對比

在熱沉溫度場的試驗研究中,對翅片溫度進行了測量,并且對熱沉溫度場進行了有限元分析,得到各測點模擬計算結果。圖16、圖17 為測點TR06 升降溫過程試驗結果與模擬結果的比較。通過比較分析發現,升溫過程中,0—10 min 時,熱沉升溫速率數值模擬結果為10.71 K/min,試驗結果為7.18 K/min,模擬升溫速率在初始階段要比實驗結果快。隨著時間的延續,模擬升溫速率為1.25 K/min,并逐漸接近設定溫度,而試驗的升溫過程還在繼續,升溫速率為2.08 K/min。反觀降溫過程中,前15 min,模擬降溫速率為9.84 K/min,試驗降溫速率為6.8 K/min,試驗與模擬降溫變化較快且模擬降溫更明顯,隨著時間的延續,數值模擬結果處于緩慢下降狀態,降溫速率為3.41 K/min,而試驗的降溫過程還在繼續。受試驗環境的影響以及模型材料加工工藝所限制而仿真模型的建立過于理想化,未考慮實際流場各物理參數的微小變化等。

圖16 熱沉升溫過程試驗與數值結果對比Fig.16 Comparison between experimental and simulated results of temperature rise

圖17 熱沉降溫過程試驗與數值結果對比Fig.17 Comparison between experimental and simulated results of temperature drop

7 結論

通過數值模擬與試驗研究相結合的方法進行計算分析,得出以下幾個結論:

(1)高溫調溫時,保證不增加經濟成本的情況下,控制循環氮氣溫度在428—435 K 范圍內。模擬結果溫度均勻性為±2.002,試驗結果溫度均勻性為±3.178,相差最大為1.176 K。

(2)熱沉在低溫運行時,應控制循環氮氣溫度在128—133 K 范圍內。模擬結果溫度均勻性為±1.180,試驗結果溫度均勻性為±2.588,相差最大為1.408 K。

(3)升溫過程中,初始階段,熱沉升溫速率數值模擬結果為10.71 K/min,試驗結果為7.18 K/min,模擬升溫速率比實驗結果快3.53 K/min。隨著時間的延續,模擬升溫速率為1.25 K/min,并逐漸接近設定溫度,但試驗的升溫過程還在繼續,升溫速率為2.08 K/min,此時試驗的升溫速率比模擬結果快0.83。

(4)降溫過程中,前15 min,模擬降溫速率為9.84 K/min,試驗降溫速率為6.8 K/min,模擬降溫更明顯,模擬降溫速率比實驗結果快3.04 K/min。隨著時間的增加,數值模擬結果處于緩慢下降狀態,降溫速率為2.5 K/min,而試驗的降溫過程仍在繼續。